CN107947632A - 一种振动能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种振动能量回收装置，包括上金属板、下金属板、圆环侧壁、空心支持圆柱、传动杆和压电片。传动杆上开有凹槽，拨杆的内端嵌入传动杆的凹槽里，拨杆的外端穿过空心支持圆柱；圆环侧壁上沿着径向均匀辐射状设有上下两层压电片，当传动杆位于上止点时，压电片位于拨杆的上方，传动杆下行或上行时带动拨杆向下或向上运动，拨杆拨动压电片使压电片弯曲变形产生电能。本发明还通过空心支持圆柱中心设有第一复位弹簧、上金属板上还固连第二复位弹簧，使得传动杆被压下之后可以复位。本发明利用杠杆原理增大了拨杆作用在压电片上的力，使得收集的振动能量密度大，能量转换效率高且该装置结构简单、操作方便。
Description
技术领域
本发明属于节能和发电技术领域，具体涉及一种振动能量回收装置。
背景技术
随着汽车工业的迅速发展和碳石能源的逐渐枯竭，新能源的研究利用已经迫在眉睫。作为清洁能源的压电发电技术受到越来越广泛的关注，该技术可通过压电效应对汽车上的振动能量进行回收转化，具有很好的价值性和可行性。
振动能量回收主要有三种类型即电磁式、静电式和压电式，其中压电式的能量回收功率密度较高，并且结构简单，在系统集成和微型化方面被广泛使用。
中国专利(CN205417075U)公开了一种基于压电材料的车辆振动能量回收装置，该装置仅适用于传统的筒式液压减震器，适用范围比较局限；且该装置通过滚珠圆柱的上下运动挤压安装在侧壁上的压电片，滚珠圆柱作用在压电片上产生的应力比较小，导致回收的振动能量密度小；中国专利(CN106899231A)公开了一种压电发电旋转式换能装置，该装置包括万向螺纹传动杆、内螺纹太阳传动齿轮盘以及行星齿轮结构，结构复杂，占用空间大，不适合运用在汽车上，且此结构对振动的要求较高，不能收集较小的振动能量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种振动能量回收装置，用于回收汽车上的振动能量，其结构简单，安装使用方便且能量回收密度大。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种振动能量回收装置，包括上金属板、下金属板、连接上金属板和下金属板的圆环侧壁以及空心支持圆柱，所述上金属板、下金属板和圆环侧壁形成一个圆柱状的绝缘腔体，所述空心支持圆柱位于下金属板中间位置，所述上金属板中心开有孔，该孔供T字形的传动杆伸入绝缘腔体直至空心支持圆柱内部，位于空心支持圆柱内部的传动杆端部设有两行平行的凹槽，所述凹槽用于嵌入拨杆的内端，所述拨杆外端穿过空心支持圆柱柱体上设置的通孔悬置于可发生形变的压电片正下方，两层压电片均匀地分布于圆环侧壁上，所述空心支持圆柱中心设有第一复位弹簧，且第一复位弹簧与传动杆底端接触，所述上金属板上还固连有多个第二复位弹簧，使得传动杆被压下之后可以复位。
上述方案中，所述T字形传动杆顶端设计为凸起的圆弧状。
上述方案中，所述拨杆与空心支持圆柱构成一个杠杆机构，拨杆与通孔的接触点为杠杆的支点。
上述方案中，所述第一复位弹簧和第二复位弹簧均处于原长时，所述拨杆的外端位于压电片的正下方。
上述方案中，所述拨杆为圆柱体，且拨杆内端直径小于外端直径，所述拨杆外端端部设计为半球形。
上述方案中，所述压电片的材料为聚偏氟乙烯，同一层压电片串联，上下两层压电片组之间并联。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的拨杆和空心支持圆柱构成一个杠杆机构，将作用在传动杆上的压力放大，使得压电片受到较大的压力，压电片产生的能量密度大，能量转换率高；
2.本发明可通过调节压电片与拨杆的重叠面积改变压电片的最大变形量；
3.本发明利用压电发电装置对汽车上的振动能量进行回收利用，以供车载用电设备使用，对于汽车节能减排具有重要的意义；
4.本发明适用范围广泛，不仅可用于汽车悬架、发动机悬置等部位，还可以用于船舶、行走机械等大型设备。
附图说明
图1为本发明一种压电发电装置的结构示意图；
图2为本发明绝缘腔体内部结构示意图；
图3为本发明一种压电发电装置的能量回收电路图。
图中：1-上金属板，2-下金属板，3-圆环侧壁，4-空心支持圆柱，4-1-通孔，5-传动杆，5-1-凹槽，6-拨杆，7-压电片，8-第一复位弹簧，9-第二复位弹簧。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明利用杠杆原理，放大了作用在该装置上的振动，从而使得拨杆作用在压电片上的压力大，压电片的发电效率高，收集的能量密度大。
如图1、2所示，一种振动能量回收装置，包括上金属板1、下金属板2、圆环侧壁3、空心支持圆柱4、T字形传动杆5(其顶端设计为凸起的圆弧状)、拨杆6(拨杆6为圆柱体，拨杆6内端直径小于外端直径，拨杆6外端端部设计为半球形)、压电片7、第一复位弹簧8及第二复位弹簧9，上金属板1、下金属板2和圆环侧壁3构成一个圆柱状的绝缘腔体，空心支持圆柱4位于下金属板2中间位置，上金属板1中心开有孔，该孔供T字形的传动杆5伸入绝缘腔体直至空心支持圆柱4内部，位于空心支持圆柱4内部的传动杆5端部设有两行平行的凹槽5-1，凹槽5-1用于嵌入拨杆6的内端，拨杆6可随传动杆5上下运动，拨杆6外端穿过空心支持圆柱4柱体上设置的通孔4-1悬置于可发生形变的压电片7的正下方(此时第一复位弹簧8和第二复位弹簧9均处于原长)，压电片7与拨杆6相对径向均匀分布，拨杆6与空心支持圆柱4构成一个杠杆机构，拨杆6与通孔4-1的接触点为杠杆的支点，上下两层压电片7均匀地分布于圆环侧壁3上，压电片7的个数可根据需求而定，本实施例设置上下两层压电片7各十二片且压电片7的材料为聚偏氟乙烯(PVDF)，为了提高振动能量的回收效率，同一层压电片采取串联的方式，上下两层压电片组之间并联，空心支持圆柱4中心设有第一复位弹簧8，且第一复位弹簧8与传动杆5底端接触，上金属板1上还固连有一圈第二复位弹簧9，两种复位弹簧均可使传动杆5被压下之后复位。
一种振动能量回收装置的工作过程：
当传动杆5顶端受振动压力向下运动时，带动拨杆6的内端向下运动，拨杆6的外端绕支点向上运动，压电片7受向上的力弯曲变形产生电能；当传动杆5即将运动到下止点(第一复位弹簧8、第二复位弹簧9均被压缩到最大压缩量)时，拨杆6与压电片7分离，压电片7恢复原形且此时拨杆6位于压电片7的上方。复位弹簧受传动杆向下的压力处于压缩状态，故复位弹簧对传动杆产生向上的反作用力。当作用在传动杆5上的振动压力小于传动杆受到的反作用力时，传动杆5受第一复位弹簧8和第二复位弹簧9的反作用力向上运动，从而带动拨杆6的内端向上运动，拨杆6的外端绕支点向下运动，压电片7受向下的力弯曲变形产生电能；当传动杆5即将运动到上止点(第一复位弹簧8、第二复位弹簧9均处于原长状态)时，拨杆6与压电片7分离，压电片7恢复原形且此时拨杆6位于压电片7)的下方；根据杠杆原理，支点与拨杆6内端的距离大于支点与拨杆6外端的距离，从而拨杆6作用在压电片7上的力大于传动杆5作用在拨杆6上的力，压电片7受力向上或向下弯曲变形，产生交流电。
如图3所示为本发明一种压电发电装置所采用的能量回收电路，分别从上层压电片7和下层压电片7引出一根导线，通过这两根导线将压电发电装置接入能量回收电路；图3中能量回收电路为双中间电容回收接口电路DICH，DICH接口电路包括两个部分：①由压电片C0、电感L1、开关S1、二极管D1和电容C1组成的振荡电路L1C0C1，由压电片C0、电感L1、开关S1、二极管D2和电容C2组成的振荡电路L1C0C2；②由电感L2、开关S2、续流二极管D3、滤波电容Cr组成的buck-boost转换器，振荡电路连接buck-boost转换器，外接负载用等效电阻RL表示。双中间电容回收接口电路DICH中，压电片7大多数时间都处在开路状态(S1和S2断开)，在车辆的机械振动周期T内进行两次能量回收，每次能量回收可分为四个阶段。当机械振动位移达到最大值UM，此时压电片7两端电压达到最大值VM,开关S1闭合，存储在压电片7上的电能经电感L1和二极管D1转移到中间电容C1上；当机械振动位移达到最小值-UM,此时压电片7两端电压达到最小值-VM,开关S1闭合，存储在压电片7上的电能经电感L1和二极管D2转移到中间电容C2上；当电容C1或者C2上面电荷量最大，回路电流为0时，S1断开、S2闭合，电容C1、C2和电感L2组成一个LC振荡电路，电容C1、C2上存储的电能转移到L2上；当电感L2上的能量最大时，开关S2断开，续流二极管D3导通，存储在电感L2上的能量转移到滤波电容Cr和负载RL上。双中间电容回收电路DICH的回收功率与负载无关，即对任何负载的输出功率都是最优的，且双中间电容回收电路DICH的回收功率为同步电荷提取电路的两倍。
本发明一种压电发电装置可放置在汽车各个振动部位，如悬架、发动机、发动机悬置等等，将汽车上的振动能量转化为电能，存储在负载电池中，供车载用电设备使用，实现了对回收电能的有效利用。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种振动能量回收装置，其特征在于，包括上金属板(1)、下金属板(2)、连接上金属板(1)和下金属板(2)的圆环侧壁(3)以及空心支持圆柱(4)，所述上金属板(1)、下金属板(2)和圆环侧壁(3)形成一个圆柱状的绝缘腔体，所述空心支持圆柱(4)位于下金属板(2)中间位置，所述上金属板(1)中心开有孔，该孔供T字形的传动杆(5)伸入绝缘腔体直至空心支持圆柱(4)内部，位于空心支持圆柱(4)内部的传动杆(5)端部设有两行平行的凹槽(5-1)，所述凹槽(5-1)用于嵌入拨杆(6)的内端，所述拨杆(6)外端穿过空心支持圆柱(4)柱体上设置的通孔(4-1)悬置于可发生形变的压电片(7)的正下方，两层压电片(7)均匀地分布于圆环侧壁(3)上，所述空心支持圆柱(4)中心设有第一复位弹簧(8)，且第一复位弹簧(8)与传动杆(5)底端接触。
2.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，所述上金属板(1)上还固连有多个第二复位弹簧(9)，使得传动杆(5)被压下之后可以复位。
3.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，所述T字形传动杆(5)顶端设计为凸起的圆弧状。
4.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，所述拨杆(6)与空心支持圆柱(4)构成一个杠杆机构，拨杆(6)与通孔(4-1)的接触点为杠杆的支点。
5.根据权利要求1或2所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，所述第一复位弹簧(8)和第二复位弹簧(9)处于原长时，所述拨杆(6)的外端位于压电片(7)的正下方。
6.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，所述拨杆(6)为圆柱体，且拨杆(6)内端直径小于外端直径。
7.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，所述拨杆(6)外端端部设计为半球形。
8.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，所述压电片(7)的材料为聚偏氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征在于，同一层压电片(7)之间串联，上下两层压电片组之间并联。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180420 |